JP4069070B2 - 電力半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、基板上に設けられた複数の半導体コンポーネントを備えた電力半導体モジュールに関する。
このタイプのモジュールは例えば独国特許出願公開第３９ ０６ ６９０ Ａ１号、独国特許出願公開第１９９ ４２ ９１５ Ａ１号、独国特許出願公開第１９７ ０７ ５１４ Ａ１号、特開２００１−１１８９８７号において開示されている。
例えば、独国特許出願公開第１９９ ４２ ９１５ Ａ１号で明らかにされている電力半導体モジュールの場合、複数の電力半導体が絶縁性熱伝導担体（基板）の上面上に密接して一列に配置されている。上記電力半導体は同じ上面に形成された金属導体トラックを介して接触領域により電気的に結合され、このようにして駆動され得る。
同様に、金属性の、例えば銅コーティングされた基板底部は通電性のある圧力部品によりヒートシンク上に圧着されている。電力半導体モジュールの動作中に熱という形態で発生する電力損失はこれらの手段により消散される。熱の効果的な消散、あるいは低い熱伝達抵抗の効果的な消散の確保のため、およびそのことにより電力半導体モジュールの安全かつ信頼性のある動作を確実なものとするため、ヒートシンクは基板底面上に平面的かつ隙間無く接しなければならない。
この場合、問題となるのは、種々のモジュールコンポーネント（例えば基板および半導体材料）の異なる熱膨張率と曲げ剛性の低さとによってもたらされるモジュール内の機械的応力である。内部応力はまた、電力半導体モジュールの高温製造過程によってももたらされ得、それに続くはんだ付け工程により、さらに増倍し得る。
機械的応力および／または低い曲げ剛性はこの場合には基板またはモジュール底面の望ましくない変形、あるいはたわみへとつながり得る。冷却要素と冷却間での熱伝達が、変形によっておこるエアギャップと隙間とにより損なわれるので、均一的な平面接触領域はもはや保証されない。上記の影響は、基板がヒートシンクに直接に圧着されていないところ、あるいは単に不適切に圧着されているところ、たとえば、モジュール中心でのエッジ固定の場合など、では特に補償することができない。なぜなら、たわみ（曲率）がそこでは最大であるからだ。さらに、モジュールが大きければ大きいほどその影響はより大きく現われる。モジュールのサイズは電力と共に大きくなる。
この問題領域を解決するために、別の金属部分、例えば銅板、をベース板として設け、そこに基板の底面を、例えばはんだ付けで、しっかりと結合することが考えられる。そうすると、現行の形の偏りは介在するはんだ層により補償される。そしてベース板はその底面でヒートシンクと結合され、熱の均一分配（いわゆる熱スプレッダーとして）と機械的応力除去の両方の役割を果たすこととなる。
しかし、追加のベース板およびその装着により、このように構成された電力半導体モジュールの構成にかかる総費用は増加する。
従って本発明は、ベース板を追加することなく、かつ、熱と冷却要素との十分な接触により、製造において費用効果の高い電力半導体モジュールを提供するという目的に基いている。
導入部で述べたタイプの電力半導体モジュールの場合、この目的は、基板が複数の基板領域を有し、１つまたは複数の結合する領域が基板領域間に設けられており、その結合した領域を介して、基板領域が、相対的に動くことが可能なように結合されている、本発明によって達成される。
本発明の重要な局面の１つは、半導体コンポーネントの配置および、更なるコンポーネントを有することが適切な場合、その更なるコンポーネントの配置が１つの一体的基板上でのみ実現されるのではなくむしろ複数の基板領域（部分的基板）間に分配されることである。その結果、それぞれ個々の部分的基板が冷却領域により良く圧着され得、そのことにより、より良く冷却され得る。
更に、個々の部分的基板は同様に、前述の温度に左右される応力による変形および熱の影響による変形を経験するが、上記変形の量は、対応する面積を有する１つの基板全体の変形量よりかなり小さい。つまり、ある場合には不可避である変形量が複数の部分的基板間で分割され、したがって、それに応じてその不可避の変形量は、より小さい部分的変形量間で分割され、その部分的変形量における絶対変形量の最高値ははるかに小さい。
基板はそのサイズが大きくなるにつれ、破断と損傷に対する感度が高くなる。したがって、本発明の１つの利点は、本発明による、個々の基板領域を複数有する電力半導体モジュールが、機械的な面において、はるかにより強靭であるということにある。このことは、製造および装着工程の歩留まりを高めるという利点がある。
本発明の更なる利点は、半導体コンポーネントが配置された個々の基板領域が、それぞれ個別に前もってテストをすることが可能であり、不具合の場合には交換も可能であるということである。ゆえに完成品モジュールに対する拒絶は費用効率のよい方法で最小化され得る。
これは更なる歩留まりの向上を伴う。なぜなら、基板領域が不良の場合、既に装着されているコンポーネントが適切であれば、電力半導体モジュールに関わる基板材料を必ずしも全て拒絶する必要がないからだ。
本発明の更なる重要な局面は、基板領域が、１つまたは複数の結合領域を通じて相対的に動くことが可能なように結合されていることである。それぞれの結合領域は通常の基板よりも高い機械的可変形性（弾性）を持つ。ゆえに、いわば、ヒンジ或いは連接領域のような領域が基板領域間に形成される。結合領域は、基板領域が、隣接する基板領域において相互に機械的な影響を受けるのを防ぐ。
更に、各結合領域において、個々の基板領域の方向性の補正を行うという可能性がある。その方法は以下の通りである。変形量が最小化され、その結果、電力半導体モジュールの平面接触部が形成され、そのことが、結合されるヒートシンクに対して最適化された熱伝達を提供するというものだ。
本発明によると、電力半導体モジュールはさらにハウジングを有する。そのハウジングは、基板領域間の領域において、結合領域の機械的に圧力を加えるための動作ポイントを持ち、個々の基板領域に圧力を印加する。
結合部分の機械的に圧力を加えるための動作ポイントは、特に、電力半導体モジュールの装着部（底面）に結合される冷却要素への特に優れた熱伝導を確実とする。
この場合、動作ポイントは例えばハウジングのくぼみでもよい。そのくぼみを通して外部の機械的圧力手段（例えばテンションボルト）が基板平面に達することができる。しかしながら、ハウジングの内部に、ハウジングに対して外向きに働く圧力を動作点に送る複数の圧力ウェブを備えることも可能である。
さらに本発明によると、ハウジングは特に弾力的に機械的に圧力を加えるための動作ポイント間部分に組み込まれる。このことは、動作ポイント（例えばネジ、クリップ、リベット等）によって機械的に分離されている個々の部分的基板それぞれに対する接触圧力を確実にする。動作ポイントそのものは直接には部分的基板に圧力をかけない。
本発明による半導体モジュールの開発利点は基板材料の凹部によって形成される結合領域を提供することである。これは、製造技術においてより大きな可動性或いは可変形性をもった結合領域を提供するという、特別にシンプルな可能性を表している。この凹部は例えば穿孔として形成し得る。
製造技術においては、材料の凹部には溝が形成されることが特に好まれる。
好ましくはこの基板はセラミックで構成され得る。そのことでセラミックを介したヒートシンクへの優れた熱消散と同時に、半導体コンポーネントの優れた電気絶縁および上記の基板上に装置された電気接続を可能にする。この場合、基板とヒートシンクとの間には熱伝導性ペーストを導入し得る。
更に、ハウジングが、少なくとも基板領域の領域では、バネ力でもって基板領域に作用するようなものであれば都合がよい。その結果圧力は各部分的基板上に個々に働く。
本発明による例示的実施の形態を図面を参照して以下に更に詳しく説明する。
図１に示された電力半導体モジュール１はセラミック基板（担体要素）２を含む。セラミック基板２は複数の基板領域（部分的基板）３、４、５に分割されており、いわば３つのＳ部（図２）を備えている。基板領域３、４、５上に配置されているのは半導体コンポーネント６、７、８である。それらは全てモジュール１全体の構成部品である。半導体コンポーネントは、部分的基板のそれぞれの表面１２、１３、１４上に形成された、指示されたボンディングワイアを通じて導体トラックに接触して接続されている（特に図示されていない）。異なる部分的基板の導体トラックは互いにボンディングワイアを通じて互いに電気的に接続され得る。導体トラックは電力半導体モジュールの外部接続のための接触ピン（接続ピン１６、１７、１８）につながっている。この半導体コンポーネント６、７、８は熱に変換される大きな電力損失を発生する電力半導体であり得、したがって効果的な熱の消散を必要とする。
この半導体モジュールはさらに、プラスチック射出成形法により製造された弾力的な、すなわち相応に弾性のある、モジュールハウジング２０を含む。部分的基板３、４、５の裏面２２、２３、２４はモジュール底面２５の部分的領域を構成する。モジュール底面２５はヒートシンク２８との熱的接触のため、可能な限り平面的に製造され、モジュール底面２５には例えば熱伝導性ペーストが付けられる。複数の部分的基板の使用はこの平面の実現という目的にかなう。仮に基板が１つだけ使用され、その基板上に全ての半導体コンポーネントを配置せねばならずしたがって基板が全ての部分的基板の総装着面積を持たねばならないなら、一方では既に製造過程で現われている熱負荷に起因する内部の機械的応力が多大な影響を持ち、他方では十分な熱的接触が得られずしたがって基板の冷却も保証されない。
本発明による半導体モジュールの場合、上記応力は単に小変形をもたらすのみである。なぜなら、それら応力は複数の部分的基板間に分配され、かつ個々の部分的基板の絶対的変形度が更に小さいためそれぞれ比較的わずかの影響を受けるのみであるからだ。
基板領域３、４、５に加え、基板２は基板領域間に形成された結合領域３０および３１を有する（図２をも参照）。基板領域３および４は相対的に動くことが可能なように例えば結合領域３０を通じて結合される。結合領域３０はいわば連接継手あるいはヒンジのように機能する。そうすることで、基板領域３および４は互いに１８０度以外の角度（修正角度）をも有し得る。例えば、このことは基板領域３の変形が基板４に連続的に波及することを防ぐ。例えばもし基板領域３が、熱により誘発された応力による変形が原因で水平線Ｈに対してα度傾けられても（図１に拡大誇張して示されている）、それに対応して基板領域４を逆方向に傾けることにより上記α度分の傾きが基板領域４へ伝播するのを防ぎ、かつ、同角度分、逆方向に傾けるという手段でこの傾きを補正することすら可能である。このように熱により誘発された応力の影響による変形をでき得る限り受けないモジュール底面２５が電力半導体モジュールの接触領域として提供される。
例えば、図２の例では、結合領域３０および３１は、上述した基板の材料に形成されたスロット３３および３４により形成される。しかし、結合領域の別の幾何学的形状および構成も考えられ得る。これらの別の形状および構成でも同様に上述した基板に関する結合領域のフレキシビリティ増大の効果をもたらす。
ハウジング２０はアクセス領域３５および３６を有する。それらを通じて、例えば外部クリップ結合あるいは外部ネジ結合という手段で、基板を全体的かつ均一にヒートシンク２８へ圧着するために、機械的圧力（矢印Ｐで表記されている）が直接結合領域３０および３１にかけられ得る。更なる矢印Ｐにより示されているように、電力半導体モジュールのエッジ領域の接触圧ポイントＡＰにおいて更なる機械的接触圧が加えられ得る。
図３は本発明による電力半導体モジュール１０１の改変例の断面図である。したがって、複数の基板装着領域（部分的基板）１０３、１０４、１０５は、すでに図１で徹底的に説明されているが、基板１０２のＳ部を形成する（図４参照）。異なる部分的基板の導体トラックはボンディングワイア１０８、１０９を通じて互いに電気的に接続し得る。ここでも、基板領域の底面はモジュール底面１２５の部分的領域を形成する。モジュール底面１２５はヒートシンク１２８との熱接触のため平面的に構成される。
図４では、結合領域１３０および１３１は上述した基板の材料に導入されたスロット１３３および１３４により形成される。弾力性のあるハウジング１２０はその上面１４０にアクセス領域１３５および１３６を有する。上記アクセス領域１３５、１３６にたとえば外部クリップ結合あるいは外部ねじ結合を通じて加えられた機械的応力（矢印Ｐで示される）はハウジング内部プランジャーあるいは垂直ブリッジ１５０、１５１により結合領域１３０、１３１に伝達される。その結果、基板１０１はヒートシンク１２８全体に非常に均一的に圧着される。さらなる矢印Ｐにより示されているように、電力半導体モジュールのエッジ領域の接触圧ポイントＡＰにおいてさらなる機械的接触圧が加えられ得る。
このように、特に利点となる効果は、各部分的基板上の個々のハウジングによってそれぞれ接触圧がかけられるという事実により達成される。動作ポイントおよび個々の部分的基板は互いに機械的に分離されている。したがって動作ポイント自体は部分的基板に直接圧力をかけない。
本発明による電力半導体モジュールの第１の実施例の断面図を示す。 図１の電力半導体モジュール基板の平面図を示す。 本発明による電力半導体モジュールの第２の実施例の断面図を示す。 図２の電力半導体モジュール基板の平面図を示す。
符号の説明
１ 電気半導体モジュール１
２ セラミック基板
３、４、５ 基板領域（部分的基板）
６、７、８ 半導体コンポーネント
１２、１３、１４ 表面
１６、１７、１８ 接触ピン（接続ピン）
２０ モジュールハウジング
２２、２３、２４ 裏面
２５ モジュール底面
２８ ヒートシンク
３０、３１ 結合領域
３５、３６ アクセス領域
３３、３４ スロット
１０１ 電力半導体モジュール
１０２ 基板
１０３、１０４、１０５ 基板領域（部分的基板）
１０８、１０９ ボンディングワイア
１２０ ハウジング
１２５ モジュール底面
１２８ ヒートシンク
１３０、１３１ 結合領域
１３３、１３４ スロット
１３５、１３６ アクセス領域
１４０ 上面
１５０、１５１ プランジャー
Ｓ 部分
Ｈ 水平線
α 角度
Ｐ 矢印
ＡＰ 接触圧ポイント

Claims (5)

  1. 基板（２）の上に設けられた複数の半導体コンポーネント（６、７、８）を有する電力半導体モジュール（１）であって、
    該基板（２）は、
    複数の基板領域（３、４、５）と、
    １つまたは複数の結合領域（３０、３１）と
    を有し、
    該複数の基板領域（３、４、５）は、互いに相対的に移動し得るように該結合領域（３０、３１）によって結合されており、
    該電力半導体モジュール（１）は、ハウジング（２０、１２０）を有し、該ハウジング（２０、１２０）は、該ハウジング（２０、１２０）が個々の基板領域（３、４、５）に接触圧力を付与するように、該結合領域（３０、３１）に機械的圧力（Ｐ）を付与するためのアクセス領域（３５、３６）を有することを特徴とする電力半導体モジュール。
  2. 前記結合領域（３０、３１）が前記基板（２）の材料の凹部により形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の電力半導体モジュール。
  3. 前記材料の凹部（３３、３４）は溝になっていることを特徴とする、請求項２に記載の電力半導体モジュール。
  4. 前記基板（２）がセラミックであることを特徴とする、請求項１、２、または３に記載の電力半導体モジュール。
  5. 少なくとも前記基板領域（３、４、５）の領域において、前記ハウジング（２０、１２０）がバネ力により該基板領域（３、４、５）に作用するようになっていることを特徴とする、請求項１、２、３、または４に記載の電力半導体モジュール。
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